高通量3D生物打印机速率创记录，加速新药开辟

作者/凯霞

快速生产大量定制生物构造的 3D 打印机可加速药物开辟并低落本钱。3D 生物打印技能的快速进展，制造用于生物和医学应用的庞大的三维构造支架成为大概，高速、高通量的孔板生产是一个要害需求。

制药公司开辟新药的历程大概必要长达 15 年的时间，本钱高达 26 亿美元。通常从在试管中筛选数万种候选药物开始。乐成的候选药物随后在动物身上举行测试，通过这一阶段的候选药物将进入临床试验。运气好的话，此中一个候选药物将作为 FDA 答应的药物进入市场。

克日，加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师开辟出了高通量 3D 生物打印技能，可以加快新药开辟历程的第一步。该技能以创记录的速率举行 3D 打印——它可以在 30 分钟内天生 96 孔活体人体构造样本。这将使药物开辟职员可以或许快速创建大量人体构造。该技能可加快高通量临床前药物筛选和疾病建模和药物测试。

该研究以「多孔板中的高通量直接 3D 生物打印」（High throughput direct 3D bioprinting in multiwell plates）为题颁发在《生物制造 》（Biofabrication）杂志上。

药理学研究和开辟是一项繁琐且简单失败的事情。通常在开辟管道验证阶段之间的转换孕育发生失败。固然 3D 生物打印技能的前进已经可以或许准确制造差别庞大性的工程构造支架，但低通量和低重现性会限定这些技能在大量同等、功效性样品应用中的利用，比方高通量筛选 (HTS) 要领常用于种种生物、化学和制药范畴。

高通量3D生物打印机

基于此，研究职员提出了一种基于数字光处置惩罚 (DLP) 的快速一连 3D 生物打印平台，可以或许主动打印孔板，用于高通量原位制造 3D 构造布局，每批次多达 96 个样本。

图示：高通量3D生物打印机(HT-3DP)表示图。（泉源：论文）

图示：高通量 3D 生物打印机在尺度 96 孔板上实行打印。（泉源：论文）

「通过人体构造，你可以得到更好的数据——真实的人体数据——关于药物怎样发挥作用，」加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程传授 Shaochen Chen 说。「我们的技能可以制造具有高通量本领、高重现性和高精度的构造。可以关心制药行业快速辨认并专注于最有前程的药物。」

研究职员指出，固然他们的技能大概不会消除动物试验，但可以最大限度地淘汰该阶段碰到的失败。

「我们在这里开辟的是庞大的 3D 细胞造就体系，可以更靠近地模仿现实人体构造，有望进步药物开辟的乐成率。」博士后研究员、该论文的配合第一作者Shangting You说。

该技能不但在辨别率方面与其他 3D 生物打印要领相媲美，并且在速率方面，利用该高通量 3D 生物打印技能打印一个构造样本约莫必要 10 秒钟（传统要领必要数小时）。别的，它还可直接在产业孔板中主动打印样品。

Chen说：「当你将该技能扩展到96孔板时，你会发觉节约的时间有很大的差别——利用传统要领至少96小时，而我们的技能约莫30分钟。」

可重复性该研究的另一个要害特性。Chen的技能生产的构造是高度有构造的布局，是以可以轻松复制以举行产业范围筛选。Chen解说说，这是一种与用于药物筛选的类器官差别的要领。「通过我们的 3D 生物打印要领，可以正确指定打印差别细胞范例、数目和微布局的位置。」

事情道理

为了打印构造样本，研究职员起首在盘算机上设计了生物布局的 3D 模子。这些设计可以来自医学扫描，是以可以针对患者的构造举行本性化设计。然后盘算机将模子切成2D快照，并将它们传输到数百万个微观尺寸的镜子。每个镜子都颠末数字操纵，以快照的情势投射出紫光图像——波长为 405 nm（对细胞是宁静的）。光图像被照耀到含有活细胞造就物和光敏聚合物的溶液上，这些聚合物在曝光时会固化。该布局以一连方法一次一层地快速打印，形成一个 3D 固体聚合物支架，封装将生长并成为生物构造的活细胞。

数控微镜阵列是打印机高速运行的要害。因为它在逐层打印时将整个 2D 图案投影到基板上，是以它天生 3D 布局的速率比其他打印要领快得多，后者利用喷嘴或激光逐层扫描每一层。

「一个类比是：比力利用铅笔和印章绘制形状之间的差别，」Chen试验室的纳米工程博士生、该研究的配合第一作者 Henry Hwang 说。「用铅笔，你一定绘制每条线，直到完成形状。但是利用印章，您可以一次性标志整个形状。这便是数字微镜设置装备摆设在我们的技能中所做的。这是速率上的数目级差别。」

活细胞打印本领测试

为了创建 HT-3DP 的活细胞打印本领，研究职员在 3D 打印仿生肝构造支架中利用了成熟的肝细胞癌细胞系 (HepG2)。

图示：3D生物打印机打印癌构造。（泉源：论文）

利用 7.5% (wt/vol) GelMA 水凝胶溶液，选择打印参数，使终极聚合基质刚度雷同于自然肝构造的刚度。起首打印无细胞版本以验证形状精度。颠末验证，HepG2细胞与GelMA水凝胶溶液混淆，终极浓度为每毫升300万个细胞，然后如前所述利用HT-3DP举行打印，从而创建了肝细胞癌的3D打印构造模子。活细胞和去世细胞通过钙黄素AM和乙锭同源二聚体-I染色，并在一周的时间内成像。活/去世定量表现，大多数细胞群（> 85%）在一周完结时是活细胞，是以评释构造支架是高度可行的。

可贸易化

这项事情创建在 Chen 的团队于 2013 年发明的 3D 生物打印技能的底子上。它最初是为再生医学创建活生物构造的平台。

如今，研究职员已经将该技能主动化，以举行高通量构造打印。Allegro 3D, Inc.是加州大学圣地亚哥分校的一家分支公司，由Chen和他的校友Wei Zhu配合建立，该公司已经得到了这项技能的授权，并在近来推出了一款贸易产物。

论文链接：http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ab89ca

参考内容：http://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-06/uoc--sp3060721.php